यहां कार्बन फाइबर सामग्रियों का एक व्यापक, तकनीकी विवरण दिया गया है, जिसमें उनकी परमाणु संरचना, विनिर्माण प्रक्रिया, यांत्रिक गुण और प्राथमिक अनुप्रयोग शामिल हैं।
कार्बन फाइबर संरचनात्मक वास्तुकला। प्रेषक:वेक्टरमाइन/गेटी इमेजेज़
1. कार्बन फाइबर क्या है?
कार्बन फाइबर(या ग्रेफाइट फाइबर) में 5 से 10 माइक्रोमीटर व्यास वाले कार्बन परमाणुओं की पतली किस्में होती हैं। उच्च प्रदर्शन वाले कार्बन फाइबर में वजन के हिसाब से कम से कम 90% कार्बन होता है, जो फाइबर की लंबी धुरी के समानांतर सूक्ष्म क्रिस्टल में एक साथ बंधे होते हैं।
प्रमुख संरचनात्मक तथ्य:ग्रेफाइट परतों का दिशात्मक संरेखण कार्बन फाइबर को उसके अनुदैर्ध्य अक्ष के साथ असाधारण रूप से उच्च शक्ति {{0} से - वजन अनुपात देता है, जो स्टील और एल्यूमीनियम जैसी पारंपरिक धातुओं से बेहतर प्रदर्शन करता है।
2. आणविक संरचना एवं वर्गीकरण
कार्बन फाइबर की ताकत $sp^2$ संकरित कार्बन परमाणुओं से आती है जो दो -आयामी हेक्सागोनल प्लेनर शीट (ग्राफीन के समान) बनाते हैं। ये चादरें एक साथ मुड़कर एक माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना बनाती हैं।
पूर्वगामी सामग्री के प्रकार
कार्बन फाइबर को मुख्य रूप से उन्हें बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली पूर्ववर्ती सामग्री द्वारा वर्गीकृत किया जाता है:
पैन-आधारित (पॉलीएक्रिलोनिट्राइल):90% से अधिक वाणिज्यिक उत्पादन का प्रतिनिधित्व करता है। उच्च तन्यता ताकत और उत्कृष्ट संरचनात्मक विश्वसनीयता प्रदान करता है।
पिच-आधारित:पेट्रोलियम या कोयला तार पिच से उत्पादित। अत्यधिक उच्च कठोरता (तन्यता मापांक) और तापीय चालकता उत्पन्न करता है, हालांकि आम तौर पर कम तन्यता ताकत होती है।
रेयॉन पर आधारित:ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण, लेकिन कम कार्बन उपज (~20-25%) के कारण आज इसका उपयोग शायद ही कभी किया जाता है।
3. विनिर्माण प्रक्रिया
तरल अग्रदूत पॉलिमर को संरचनात्मक कार्बन फाइबर में बदलने में पांच मुख्य चरण शामिल हैं:
1. कताई:पूर्वगामी गठन.
पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन) पाउडर को सॉल्वैंट्स के साथ मिलाया जाता है और निरंतर फिलामेंट्स (टो) में घुमाया जाता है, फिर आंतरिक पॉलिमर श्रृंखलाओं को संरेखित करने के लिए बढ़ाया जाता है।
2.स्थिरीकरण:थर्मल क्रॉस-लिंकिंग (200 डिग्री - 300 डिग्री)।
पूर्ववर्ती तंतुओं को हवा में गर्म किया जाता है। ऑक्सीजन बांड रैखिक आणविक श्रृंखला को एक सीढ़ी जैसी रिंग संरचना में बदल देते हैं, जो बाद के चरणों के दौरान पिघलने से रोकते हैं।
3.कार्बोनाइजेशन:गैर -ऑक्सीकरण ताप (1,000 डिग्री - 1,500 डिग्री)।
रेशों को निष्क्रिय वातावरण (नाइट्रोजन) में गर्म किया जाता है। गैर-कार्बन परमाणु (हाइड्रोजन, नाइट्रोजन, ऑक्सीजन) निष्कासित हो जाते हैं, जिससे कसकर बंधे हुए कार्बन छल्ले निकल जाते हैं।
4. भूतल उपचार:आसंजन संवर्धन.
रासायनिक एंकरिंग साइट बनाने के लिए फाइबर की सतह को इलेक्ट्रोलाइटिक स्नान के माध्यम से ऑक्सीकरण किया जाता है, जिससे राल मैट्रिसेस के साथ मजबूत यांत्रिक संबंध सुनिश्चित होता है।
5.आकार:सुरक्षात्मक कोटिंग.
बुनाई से पहले या एपॉक्सी से संसेचित करने से पहले हैंडलिंग के दौरान स्ट्रैंड क्षति को रोकने के लिए एक सुरक्षात्मक पॉलिमर कोटिंग (साइज़िंग) लगाई जाती है।
4. यांत्रिक गुणों की तुलना
संरचनात्मक प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, कार्बन फाइबर को आमतौर पर एपॉक्सी मैट्रिक्स में एम्बेड किया जाता हैकार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर (सीएफआरपी).
| संपत्ति | मानक कार्बन फाइबर (पैन) | स्ट्रक्चरल स्टील (A36) | एल्यूमिनियम मिश्र धातु (7075-टी6) |
| घनत्व (जी/सेमी3) | 1.75 - 1.80 | 7.85 | 2.81 |
| तन्यता ताकत (जीपीए) | 3.5 - 4.9 | 0.40 | 0.57 |
| तन्यता मापांक (जीपीए) | 230 - 300 | 200 | 71 |
| विशिष्ट शक्ति (kN.m/kg) | ~2,400 | ~50 | ~200 |
5. प्रमुख लाभ एवं सीमाएँ
लाभ
अत्यंत हल्का वजन:स्टील का घनत्व लगभग 1/5 और एल्युमीनियम का 2/3।
उच्च संक्षारण प्रतिरोध:अधिकांश अम्लों, क्षारों और कार्बनिक विलायकों के लिए रासायनिक रूप से निष्क्रिय।
कम तापीय विस्तार:थर्मल विस्तार (सीटीई) का शून्य गुणांक, जो इसे सटीक ऑप्टिकल और अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है।
उच्च थकान जीवन:लाखों चक्रीय भार के तहत संरचनात्मक अखंडता बनाए रखता है।
सीमाएँ
अनिसोट्रॉपी:यांत्रिक शक्ति मुख्य रूप से फाइबर की लंबाई के साथ मौजूद होती है; ऑफ{0}}अक्ष की ताकत के लिए बहुदिशात्मक बुनाई या लैमिनेटिंग की आवश्यकता होती है।
भंगुर विफलता:पूर्व प्लास्टिक विरूपण के बिना विनाशकारी विफलता तक लगभग -रैखिक लोचदार प्रतिक्रिया प्रदर्शित करता है।
उच्च लागत एवं पुनर्चक्रण जटिलता:ऊर्जा {{0}गहन विनिर्माण और कठिन पोस्ट{{1}उपभोक्ता थर्मोसेट मैट्रिक्स रीसाइक्लिंग।